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초신성 폭발 휩쓸리지 않은 별 잔해 찾았다

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초신성 폭발 휩쓸리지 않은 별 잔해 찾았다

2020.06.19 12:30
초신성 잔해 카시오페이아A의 엑스선, 광학 합성 영상이다. 푸른색은 초신성 충격파에 의해 가열된 기체와 상대론적 전자들의 분포를, 붉은색은 폭발 전 별로부터 방출된 성변물질의 분포를 보여준다. 이 천체까지의 거리는 1만 1000 광년이다. 구본철, 이용현, 김현정 제공
초신성 잔해 카시오페이아A의 엑스선, 광학 합성 영상이다. 푸른색은 초신성 충격파에 의해 가열된 기체와 상대론적 전자들의 분포를, 붉은색은 폭발 전 별로부터 방출된 성변물질의 분포를 보여준다. 이 천체까지의 거리는 1만 1000 광년이다. 구본철, 이용현, 김현정 제공

국내 연구팀이 약 340년 전 폭발한 초신성의 잔해에서 원형이 그대로 남은 별의 잔해를 발견했다. 초신성으로 폭발하기 전 별 내부에서 방출된 물질이 충격파에 휩쓸리지 않고 원형 그대로 발견된 것은 이번이 처음이다.

 

구본철 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 초신성의 특성을 예측할 수 있는 중요한 정보를 담은 원형 그대로 남은 별의 잔재를 발견하는 데 성공했다고 이달 15일 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 표지논문으로 발표했다고 19일 밝혔다.

 

연구팀은 카시오페이아 A(Cas A) 초신성 잔해에서 별의 잔재를 발견했다. 지구로부터 1만 1000광년 떨어진 Cas A는 우리 은하의 가장 젊은 초신성 잔해 중 하나다. 초신성 폭발에 가장 중요한 천체 중 하나로 꼽히나 폭발 전 별의 특성은 아직 알려지지 않았다. Cas A는 태양 질량의 15~25배 되는 별이 폭발한 것으로 추정된다.

 

연구팀은 미국 로웰 천문대 4.3미터 망원경에 설치된 근적외선 고분산 분광기 ‘IGRINS’를 이용해 별 잔재 물질의 스펙트럼을 얻었다. IGRINS는 한국천문연구원과 미국 텍사스대가 공동개발한 장비다.

 

연구팀은 스펙트럼을 분석한 결과 초신성 잔해 스펙트럼에서 이전 연구에서 관측된 적이 없는 좁은 선폭의 방출선이 나오는 것을 발견했다. 초신성 폭발의 영향을 받으면 방출선은 넓은 선폭을 보이는데 그렇지 않은 방출선이 발견된 것이다. 이 방출선의 공간 분포를 허블 우주망원경 이미지와 비교해보니 충격파로 둘러싸인 안쪽 지역에서 방출되는 것으로 나타났다.

 

Cas A 1.644 μm 선 영상이다. 붉은 별표시는 폭발 중심 위치를  나타내고, 바깥쪽의 노란색 선은 전파에서 보이는 초신성 잔해의 경계를 나타낸다. 보라색으로 표시된 덩어리들이 선조성에서 방출된 고밀도 성변물질 덩어리들이다. 아래쪽 흰 박스로 표시된 천체가 이번 연구에서 순수 성변물질이 발견된 QSF 24이다. 오른쪽 아래 박스는 QSF 24의 확대 사진으로 IGRINS 관측 슬릿의 위치가 표시돼 있다. 서울대 제공
Cas A 1.644 ㎛ 선 영상이다. 붉은 별표시는 폭발 중심 위치를 나타내고, 바깥쪽의 노란색 선은 전파에서 보이는 초신성 잔해의 경계를 나타낸다. 보라색으로 표시된 덩어리들이 선조성에서 방출된 고밀도 성변물질 덩어리들이다. 아래쪽 흰 박스로 표시된 천체가 이번 연구에서 순수 성변물질이 발견된 QSF 24이다. 오른쪽 아래 박스는 QSF 24의 확대 사진으로 IGRINS 관측 슬릿의 위치가 표시돼 있다. 서울대 제공

방출선이 충격파의 영향을 받지 않은 순수한 성변물질에서 방출된 것을 확인한 결과다. 성변물질은 별이 방출하는 별 주변의 물질로 Cas A 초신성 잔해에 있는 성변물질은 모두 충격파에 휩쓸린 물질만 발견돼 왔다. 충격파가 티끌을 파괴하기 때문에 물질의 기체 상태의 화학 조성을 알 수 없으나 순수 성변물질은 폭발 전 별에서 방출된 물질 본연의 상태를 간직하고 있어 가치가 크다.

 

스펙트럼 속 철 원자 대부분은 기체 상태로 존재했다. 이는 일반 성간물질에서 철 원자가 기체 상태로 있는 비율이 1% 미만인 것과 다른 결과다. 연구팀은 이것이 탄소와 질소, 산소를 촉매로 해 핵융합을 하는 ‘CNO 순환’을 겪은 별의 내부 물질에서의 티끌 생성 이론과 일치한다고 밝혔다. 성변물질 덩어리들이 질소가 풍부한 영역에서 나왔고 이는 Cas A가 청색 초거성이었을 가능성과 연관이 있는 것으로 분석됐다.

 

연구팀은 “초신성 잔해에서 원형이 그대로 보존된 별의 잔재를 발견한 것은 화마가 휩쓸고 간 숲에서 아직 불에 타지 않은 나무를 발견한 것에 비유할 수 있다”고 말했다.

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